隨著IC設計與工藝水平的提高，可編程邏輯器件FPGA因其功能強大，設計靈活，開發(fā)周期短等特點，得到了越來越廣泛的應用。片上可編程系統(tǒng)(System On Programmable Chip，SOPC)的設計方法更是越來越受到重視。SOPC將微處理器、存儲器、定時器、通用I／O接口等系統(tǒng)設計必需的功能模塊以及用戶設計的特定功能的模塊集成到一片可編程邏輯器件上，構(gòu)成一個軟、硬件可編程的片上系統(tǒng)。采用NiosⅡ軟核處理器，使設計具有更大的靈活性。NiosⅡ系列32位RISC嵌入式處理器具有超過200DMIP的性能，在低成本FPGA中實現(xiàn)成本只有35美分，可以在多種系統(tǒng)設置組合中進行選擇，滿足成本和功能要求。這種設計方式使整個系統(tǒng)的裁減、擴充、升級變的容易，可縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)成本，延長產(chǎn)品的生命周期。
1 系統(tǒng)總體框圖
系統(tǒng)一方面采集按鍵的鍵值顯示在數(shù)碼管上，并將鍵值數(shù)據(jù)通過串口送給PC；另一方面通過串口接收由PC發(fā)來的數(shù)據(jù)，將收到的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，由收到的數(shù)據(jù)控制相應的發(fā)光二極管亮。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。
整個系統(tǒng)由Altera支持SOPC的CycloneII高性能、低成本、低功耗的FPGA和一些外圍電路組成。采用了Nios II嵌入式處理器，在FPGA芯片上實現(xiàn)核心控制處理功能。外圍電路主要有串行通信接口，LED數(shù)碼管、發(fā)光二極管，鍵盤，F(xiàn)lash、SRAM存儲器等組成。
2 硬件設計
利用SOPC技術結(jié)合VHDL硬件描述語言，在FPGA芯片內(nèi)部設計硬件控制部分；再加上外圍電路就構(gòu)成了整個系統(tǒng)的硬件電路。FPGA內(nèi)部各模塊利用Altera公司提供的Quartus II開發(fā)軟件和其中集成的SOPC Builder系統(tǒng)開發(fā)工具來設計。SOPC Builder支持Nios II CPU的配置，并支持設計者在其提供的IP庫中，根據(jù)系統(tǒng)設計需要選擇相應的接口模塊，加入到NiosII系統(tǒng)中，將這些設計在Quartus II中編譯并生成sof格式文件后，下載到FPGA芯片中就形成了SOPC的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺。
2．1 NiosII軟核處理器
本設計選擇的處理器是Altera公司推出的第二代嵌入式NiosII軟核處理器。Nios II處理器系列是一種面向用戶的，可以靈活定制的通用RISC(精簡指令集架構(gòu))嵌入式CPU。Nios以軟核的方式提供給用戶，并專為在Altera的FPGA上實現(xiàn)作了優(yōu)化，用于SOPC(片上可編程系統(tǒng))集成，最后在FPGA上實現(xiàn)。
它的外設可以靈活選擇或增刪，可以自定制用戶邏輯為外設，可以允許用戶定制自己的指令集，使用Nios加上外部的Flash、SRAM即可構(gòu)成一個嵌入式處理器系統(tǒng)。構(gòu)建的軟核處理器如圖2所示。
2．2 串行通信接口
串行通信接口芯片選用MAX3232，由電平轉(zhuǎn)換芯片完成從LVTTL電平到RS232C電平的轉(zhuǎn)換，如圖3所示。
2．3 LED數(shù)碼管、發(fā)光二極管
8位數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，通過接收的數(shù)據(jù)控制點亮相應的二極管。數(shù)碼管顯示譯碼在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)。發(fā)光二極管通過限流電阻直接接在FPGA的I／O口上。
2．4 Flash、SRAM存儲器、鍵盤
系統(tǒng)片外FLASH選用AM29LV065DU，片外SRAM選用UM611024A；作為運行Nios II的FLASH和SRAM。十個按鍵KEY0-KEY9直接與FPGA芯片的I／O口連接。
3 軟件設計
系統(tǒng)的軟件設計是利用Altera公司的軟件集成開發(fā)工具Nios II IDE來完成，用C語言進行編程。系統(tǒng)的軟件主流程圖如圖4所示。接收上位機PC發(fā)來的數(shù)據(jù)采用中斷方式，中斷方式能很快響應提高程序的運行效率，如圖5所示。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)采用SOPC技術實現(xiàn)了鍵值采集及顯示，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)給上位機PC；可以接收從上位機送來的數(shù)據(jù)并顯示，由接收的數(shù)據(jù)控制點亮相應的二極管。在設計中采用了Nios II軟核處理器。通過實驗證實了系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在實際的應用中具有很好的參考價值。